CN111398907A - 一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法。本发明首先利用相控阵雷达的数字通道参数构造方位向空域导向矢量和俯仰向空域导向矢量，进而得到相控阵雷达整个阵列的空域二维导向矢量，再利用二维导向矢量就可以形成四个特定指向的相邻空域二维波束，最后利用这些二维波束构造空域二维数字差波束，从而有效抑制主波束区和目标有角度分离的主瓣干扰，实现对运动目标的检测。本发明技术形成的差波束宽度比传统方法要窄、主瓣的零点区域波束下降快，从而有利于主瓣干扰的抑制。本发明技术可用于相控阵雷达信号处理系统，实现简单，具有广阔的应用前景。

Description

一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域中的一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，适用于相控阵雷达的信号处理系统，也可用于各种机载相控阵雷达信号处理系统、地基相控阵雷达信号处理系统和舰载相控阵雷达信号处理系统等。
背景技术
相控阵雷达是当前雷达发展的一个重要方向，主要原因是相控阵雷达不仅可以实现全方位数字扫描，同时还能发挥多波束的优势，形成同时数字多波束，实现雷达的多功能。
对于一般的相控阵雷达而言，旁瓣干扰的抑制可以采用自适应旁瓣相消技术就可以抑制，但对于主瓣干扰而言，由于自适应所需的约束条件得不到满足，所以采用自适应的方法反而会导致信号的信噪比严重损失，此时采用固定波束的抑制方法反而更加可行。现代相控阵雷达大都具有空域的差波束，且这个差波束通常是通过物理手段形成的，将天线平分四份分别形成子波束，然后四个子波束的和形成和波束，左右各二个子波束和的差形成方位差波束，上下各二个子波束和的差形成俯仰差波束。这样形成的差波束存在三个明显的缺点：一是差波束的波束宽度太宽。由于形成的空域方位差和俯仰差波束都只是利用了方位向和俯仰向阵列孔径的一半，从而导致形成的差波束的波束宽度宽，进而使得干扰进入主波束区域过大，不利于主瓣干扰的抑制；二是差波束的零点区域下降不够陡。由于主瓣干扰和目标的角度区分很小，所以零点区域的滤波器凹口下降的越快，则越利于主瓣干扰的抑制；三是差波束是空域一维的，而实际上空域主瓣干扰都是从特定的方位和俯仰角二维被雷达接收的，所以二维差波束更有利于主瓣干扰的抑制。
对于副瓣区的干扰抑制采用超低副瓣天线是一个有效的方法，但是必须认识到天线副瓣的降低是以制造成本的提高，主瓣的展宽为代价的，但这对于主瓣干扰的抑制是不利的。所以在实际应用过程中，通常也会考虑采用空时二维自适应处理的方法来进行旁瓣杂波和旁瓣干扰的抑制，然后再检测运动目标。但空时自适应二维处理对于主瓣干扰的抑制非常困难，主要是自适应的条件很难得到满足，所以目标检测性能会很差。
发明内容
本发明的目的正是针对上述背景技术中的不足之处提出的。本发明通过数字波束形成技术来形成空域二维差波束，从而抑制主瓣区和目标角度接近的主瓣干扰，进而实现对运动目标的检测。首先，利用相控阵雷达的天线参数构造方位向空域导向矢量和俯仰向空域导向矢量，进而得到相控阵雷达整个阵列的空域二维导向矢量，再利用这个空域二维导向矢量就可以形成四个特定指向的相邻空域二维波束，然后利用这些波束构造空域二维差波束。由于空域二维导向矢量利用了空域的所有阵元，所以形成的空域差波束方向图比常规形成的差波束宽度要窄很多，而且零点附近差波束空域滤波器特性更陡，从而能够有效抑制主波束区和目标角度分离的主瓣干扰，进而实现对运动目标的检测。本发明的优点在于可广泛用于相控阵雷达，且具有运算量小，便于实现和推广等特点。
为了实现上述的发明目的，本发明提供了一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，包括如下技术步骤：
(1)利用相控阵雷达固有的信号处理机形成方位向数字空域导向矢量
Figure BSA0000177622650000021
其中，a1(θ)为M×1维空域导向矢量，M为平面阵的方位向的阵元数，θ为期望波束的方位指向，范围为[-90°，90°]；
(2)利用相控阵雷达固有的信号处理机形成俯仰向数字空域导向矢量
Figure BSA0000177622650000022
其中，
Figure BSA0000177622650000023
为N×1维空域导向矢量，N为平面阵的俯仰向的阵元数，
Figure BSA0000177622650000024
为期望波束的俯仰指向，范围为[0°，90°]；
(3)利用方位向空域导向矢量和俯仰向空域导向矢量形成空域二维导向矢量
Figure BSA0000177622650000025
其中，空域二维导向矢量
Figure BSA0000177622650000026
的维数为MN×1，θ1为方位角，
Figure BSA0000177622650000027
为俯仰角，
Figure BSA0000177622650000028
为数学中的Kronecher积运算；
(4)利用空域二维导向矢量加权形成空域二维波束
Figure BSA0000177622650000029
其中，MN×1维二维幅度加权矢量
Figure BSA00001776226500000210
W1为M×1维方位向幅度加权矢量，W2为N×1维俯仰向幅度加权矢量，这里形成如下四个相邻数字空域波束
Figure BSA00001776226500000211
Figure BSA00001776226500000212
其中，|·|表示取波束的绝对值；
(5)利用得到的四个数字空域波束形成空域二维数字差波束
Figure BSA00001776226500000213
2.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(4)中二维幅度加权可以采用矩形权、切比雪夫权、海明权、汉宁权、泰勒权等加权矢量之一。
3.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(5)中形成的空域二维数字差波束，也可以采用如下方式产生
Figure BSA0000177622650000031
或者
Figure BSA0000177622650000032
4.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(5)中形成的空域二维数字差波束，可以去掉式中的方位角θ，得到空域俯仰向数字差波束
Figure BSA0000177622650000033
其中，
Figure BSA0000177622650000034
本发明的优点在于：
(1)由于形成的空域二维导向矢量是利用了整个阵列的所有孔径，所以得到的空域二维方向图是最窄的，从而保证了主波束方向覆盖的角度范围也最窄，这样更有利于主瓣干扰的抑制。
(2)通过空域二维导向矢量形成了四个相邻的空域二维波束都是最窄的，确保了形成的空域二维差波束在特定的方位向和俯仰向具有较陡的下降沿，从而可以有效抑制这些区域的主瓣干扰，确保运动目标的检测。
(3)本发明采用空域二维差波束来进行主瓣干扰的抑制，由于这个差波束只和阵列的孔径有关，且不是自适应形成的，所以其滤除主瓣干扰的性能更加稳定。
(4)本发明方法可用于改造现有的相控阵雷达的信号处理系统，不需要额外增加处理通道和设备，只需对数字化雷达的数字通道进行计算，形成空域二维数字差波束即可。所以，不需要改变雷达接收系统的结构，具有推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的实施例的结构方框图。
参照图1，本发明的实施例由形成方位向空域导向矢量1，形成俯仰向空域导向矢量2，形成空域二维导向矢量3，形成空域二维波束4和形成空域二维数字差波束5组成。其中实施例中雷达信号处理机利用形成方位向空域导向矢量1和形成俯仰向空域导向矢量2分别形成整个阵列的方位向导向矢量和俯仰向导向矢量，然后将这二个导向矢量送入形成空域二维导向矢量3，再利用形成空域二维波束4得到四个特定指向、且相邻的空域二维波束，并将之送入到形成空域二维数字差波束5中，计算得到所需的空域二维数字差波束，再将这个空域二维数字差波束输出即可。
具体实施方式
实施本发明的原理如下：首先利用雷达天线阵列结构及参数构造方位向空域导向矢量和俯仰向空域导向矢量，然后利用这二个空域导向矢量构造空域二维导向矢量，再利用这个二维导向矢量得到相邻的四个空域二维波束，最后利用这四个空域二维波束形成所需的数字差波束，从而实现对主瓣干扰的抑制和运动目标的检测。
假设相控阵雷达为平面阵，行方向有M个阵元，列方向有N个相阵元，实施例中为M＝16，N＝8，要形成的数字差波束的零点为方位角0度和俯仰角0度。下面结合附图和实施例说明一下整个发明的详细步骤：
(1)由形成方位向空域导向矢量单元1利用阵列结构及方位向阵元数目形成方位向的数字空域导向矢量
Figure BSA0000177622650000041
其中，a1(θ)为M×1维方位向空域导向矢量，M为平面阵的方位向的阵元数，θ为期望波束的方位指向，范围为[-90°，90°]；
实施例中，a1(θ)为16×1维空域导向矢量，需要用到二个不同方位指向的空域导向矢量，一个指向为
Figure BSA0000177622650000042
另一个为
Figure BSA0000177622650000043
即得到二个方位向空域导向矢量a1(θ1)和a1(θ2)。
计算完之后，需要将这二个方位向空域导向矢量送入单元3中。
(2)由形成俯仰向空域导向矢量单元2利用阵列结构及方位向阵元数目形成方位向的数字空域导向矢量
Figure BSA0000177622650000044
其中，
Figure BSA0000177622650000045
为N×1维空域导向矢量，N为平面阵的俯仰向的阵元数，
Figure BSA0000177622650000046
为期望波束的俯仰指向，范围为[0°，90°]；
实施例中，
Figure BSA0000177622650000047
为8×1维俯仰向空域导向矢量，需要用到二个不同俯仰指向的空域导向矢量，一个指向为
Figure BSA0000177622650000051
另一个为
Figure BSA0000177622650000052
即得到二个俯仰向空域导向矢量
Figure BSA0000177622650000053
和
Figure BSA0000177622650000054
计算完之后，需要将这二个俯仰向空域导向矢量送入单元3中。
(3)形成空域二维导向矢量单元3利用上面得到二个方位向空域导向矢量和二个俯仰向空域导向矢量形成空域二维导向矢量
Figure BSA0000177622650000055
其中，空域二维导向矢量
Figure BSA0000177622650000056
的维数为MN×1，θ1为方位角，
Figure BSA0000177622650000057
为俯仰角，
Figure BSA0000177622650000058
为数学中的Kronecher积运算；
实施例中，空域二维导向矢量
Figure BSA0000177622650000059
的维数为128×1，共形成四个空域二维导向矢量，分别为
Figure BSA00001776226500000510
Figure BSA00001776226500000511
计算完之后，需要将这四个空域二维导向矢量送入单元4中。
(4)形成空域二维波束单元4用单元3送来的四个空域二维导向矢量形成加权的空域二维波束
Figure BSA00001776226500000512
其中，MN×1维二维幅度加权矢量
Figure BSA00001776226500000513
W1为M×1维方位向幅度加权矢量，W2为N×1维俯仰向幅度加权矢量，这里形成如下四个相邻数字空域波束
Figure BSA00001776226500000514
Figure BSA00001776226500000515
其中，|·|表示取波束的绝对值；
实施例中，W1为16×1维矩形加权的全1矢量，W2为8×1维矩形加权的全1矢量，所以W为128×1维全1矢量，形成的四个相邻空域二维波束分别为
Figure BSA00001776226500000516
Figure BSA00001776226500000517
计算完之后，需要将这四个空域二维波束送入单元5中。
(5)形成空域二维数字差波束单元5将单元4送来的四个空域二维波束形成空域二维数字差波束
Figure BSA0000177622650000061
实施例中，得到的差波束响应函数为
Figure BSA0000177622650000062
另外，步骤(4)中方位向空域幅度加权和俯仰向幅度加权可以采用矩形权、切比雪夫权、海明权、汉宁权、泰勒权等加权矢量之一。实施例中采用了矩形权进行加权。
步骤(5)中形成的数字空域二维差波束，也可以采用简化的方式进行，如只利用第1和第2个空域二维波束产生，实施例中为
Figure BSA0000177622650000063
或者可以利用第3和第4个数字空域二维波束产生，实施例中为
Figure BSA0000177622650000064
步骤(5)中也可以只形成俯仰向空域的数字差波束，实施例中为
Figure BSA0000177622650000065
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (4)

1.一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，包括如下技术步骤：
(1)利用相控阵雷达固有的信号处理机形成方位向数字空域导向矢量
Figure FSA0000177622640000011
其中，a1(θ)为M×1维空域导向矢量，M为平面阵的方位向的阵元数，θ为期望波束的方位指向，范围为[-90°，90°]；
(2)利用相控阵雷达固有的信号处理机形成俯仰向数字空域导向矢量
Figure FSA0000177622640000012
其中，
Figure FSA0000177622640000013
为N×1维空域导向矢量，N为平面阵的俯仰向的阵元数，
Figure FSA0000177622640000014
为期望波束的俯仰指向，范围为[0°，90°]；
(3)利用方位向空域导向矢量和俯仰向空域导向矢量形成空域二维导向矢量
Figure FSA0000177622640000015
其中，空域二维导向矢量
Figure FSA0000177622640000016
的维数为MN×1，θi为方位角，
Figure FSA0000177622640000017
为俯仰角，
Figure FSA0000177622640000018
为数学中的Kronecher积运算；
(4)利用空域二维导向矢量加权形成空域二维波束
Figure FSA0000177622640000019
其中，MN×1维二维幅度加权矢量
Figure FSA00001776226400000110
W1为M×1维方位向幅度加权矢量，W2为N×1维俯仰向幅度加权矢量，这里形成如下四个相邻数字空域波束
Figure FSA00001776226400000111
Figure FSA00001776226400000112
其中，|·|表示取波束的绝对值；
(5)利用得到的四个数字空域波束形成空域二维数字差波束
Figure FSA00001776226400000113
2.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(4)中二维幅度加权可以采用矩形权、切比雪夫权、海明权、汉宁权、泰勒权等加权矢量之一。
3.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(5)中形成的空域二维数字差波束，也可以采用如下方式产生
Figure FSA0000177622640000021
或者
Figure FSA0000177622640000022
4.根据权利要求1所述一种相控阵雷达空域二维数字差波束形成方法，其特征在于，步骤(5)中形成的空域二维数字差波束，可以去掉式中的方位角θ，得到空域俯仰向数字差波束
Figure FSA0000177622640000023
其中，
Figure FSA0000177622640000024
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